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正弦波输入/输出的电流源变频系统控制的高速电梯

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:105

  作者:行武奇
  文摘:本文介绍的是日立公司最新开发的正弦波输入/输出的电流源变频器系统控制的高速电梯,详细说明了该系统的主回路、控制回路、脉宽调制及安全回路,系统的优点是节约能源,减少谐波,可用于高速电梯控制及电力再生的领域。
  多年来,人们一直采用可控硅莱昂纳多系统和可调磁场控制方法控制高速电梯。但是,这些老式系统中存在一些问题,如输出电压低时的功率因数及交流线路较高的谐波电流。解决这些问题的一个方案就是使用门断路整流器,这种整流器自身带有脉宽控制装置和相位控制装置。采用此方法,功率因数提高了,但谐波电流却没有得到有效地减小。另一方面,采用正弦波输入/输出的电流源变频系统可能会在谐波电流方面有所改善。在该系统中,输出电流的频率和相位受变频系统的控制,而输出电流的值则受整流系统的控制,变频系统中无须电流反馈环路,电路结构简单,但仍存在以下问题:
  (1)感应电机会产生力矩脉动,除非采用平稳的正弦波脉宽调制控制装置。
  (2)切断电流环路时产生异常过电压。
  这些问题妨碍了用此方法对电梯速度的控制,而电梯速度控制的目的就是要使运行舒适、平稳可靠。
  因此,人们研制出了一种高速电梯,其控制系统为改进后的正弦波输入/输出的电流源变频系统,该系统采用两个独立的单片机(分别用于变频器和整流器)利用晶体管脉冲波形及输出脉宽调制波形的新一代计算方法,在没有外部逻辑回路的情况下,计算正弦脉宽调制的脉冲波形。采用新的脉宽调制控制技术替代老式的模拟控制方法,即将梯形调制波形与三角形载波相比较,开发出了适用于电梯控制的小力矩脉动变频器系统。
  另一方面,电流源变频系统中还要考虑设置保护系统,它能检测和抑制电源降低模式下的过电压。保护系统中采用一个压敏变阻器,还有一个连接在整流器和变频器之间的直流电抗器形成的短路,克服了以前的电流源变频器系统存在的问题。
  本文研究的是整流器和变频器的正弦波脉宽调制脉冲波形的计算方法,由12个晶体管构成的整流器和变频器的脉冲波形输出方法,整流器和变频器的基本操作,输出电流、电压和力矩脉动的模拟结果,新型曳引机,还有实验结果。
  1 主回路及控制回路结构图
  1.1 主回路结构图:
  图1所示的是正弦波输入、输出的电流源晶体管变频器系统主回路的结构图。该系统由一个整流器、一个变频器和一个直流电抗器(Ld)构成。整流器将恒定频率的电源变为直流电源,直流电抗器(Ld)则使直流电源更加平稳,变频器则将直流电源转变为变压变频交流电源。连接在交流输入、输出端的过电压吸收电容器(Cc,Ci)起到滤波器的作用,这样,在一定程度上,输入和输出电流能够保持正弦波形。构成整流器和变频器的晶体管模块是由一个单向导电的二极管和晶体管构成。两种脉宽调制控制线路的详细情况以后再论。
  1.2 控制回路框图:
  从根本上说,整流器和变频器装置都要配用脉宽调制控制装置来产生正弦波电压和电流。另外,整流器部分采用直流耦合电压控制装置来调节感应电机的电流值,而变频器部分利用频率和相位控制电机响应速度。图2所示的是控制回路的框图。自动速度调节(ASR)和各种信号的管理由一个16位微机(CPU-0)作为主机来完成。主微机通过一般的矢量计算产生直流电流指令信号i1*,频率指令信号ω1*和相位指令信号θ*,ω1*、θ*、i1*由下式给出:
  ω1* = ωs + ωr (1)
  θ* = tan-1(ωs L2/R2) (2)
  i1* = Im·SQR(1+(ωs L2/R2)2)·sin(ω1*t+θ*) (3)
  自动直流电流调节(ACR)由一个带有脉宽调制控制装置的独立的16位单片机(CPU-1)来完成。CPU-1的输入信号就是电流指令信号与直流电流信号之间的偏差信号和同步信号。偏差信号供给了单片机上的模拟——数字转换端口(精确度为10位),同步信号则提供给了单片机的高速输入端口,它可以记录中断时间,6个输出脉冲波形从单片机的高速输出端口提供给了基极驱动电路,该端口有一个外加的辅助存储器。频率和相位指令信号则提供给了CPU-2单片机上的并行I/O(输入/输出)端口。
  2 变频器和整流器的正弦波脉宽调制控制装置
  2.1 脉宽调制脉冲波形的计算方法:
  原来的模拟电路方法由比较电路、三角形载波发生电路和梯形调制波发生电路构成,现在已不再使用。新的脉冲波形发生电路及配套软件已开发出来,整流器和变频器的计算方法是相同的,但对于整流器,还必须进行电源同步控制和对直流电流值控制的负荷管理。首先来讨论脉宽计算方法的共用部分。
  脉宽计算方法如图3所示。第一,在每一个确定的时间间隔内,对频率指令信号ω1*进行积分,其结果加到相位指令信号θ*上得到总相位θt。在变频器部分,频率指令信号ω1*和相位指令信号θ*是指CPU-0计算所得的指令值。在整流器部分,θ*是工业用交流电源的频率,θ*是依照电流指令与直流电流之间的偏差信号计算所得的。第二,脉宽t1,t2,t3可利用与正弦波sinωt,sin(ωt-4/3π)和sin(ωt-2/3π)相对应的比值A、B、C来确定。同样地,也可以根据总相位θt和三个正弦波来选取。如果上述过程每个时间段Δt1重复一次,只要通过单片机软件就可求得供给晶体管的脉冲波形。本文中Δt1的值设置为大约370μs,晶体管的开关频率fs大约为2.7kHz,脉宽的计算间隔为370μs。尽管结果可以用于变频器部分,但用于整流器部分时就必须加以修改。同样,ω1*总值(Σω1*Δt1)必须根据同步输入后的时间进行初始化,而负载控制又必须根据电流指令与直流电流间的偏差信号,使脉宽t1,t2,t3扩大和缩小。
  2.2 脉冲波形的输出方式:
  以前,微机发出的脉宽调制脉冲波形,其输出方法要用一个复杂的外部电路或中断处理,控制电路小型化很困难,有效缩小最小脉宽也不可能。为此,开发出了一种采用单片机上的辅助存储器的新方法,脉冲波形输出方法如图4所示。首先,主处理机在辅助存储器中设置了几组事件和启动时间,事件部分指示哪个晶体管应该接通/断开,这可以根据总相位θt参照通/断表(表1)来确定。另一方面,启动时间又表明通/断动作什么时间进行。参看图3,t1,t2,t3是启动时间的示例。在辅助存储器中,启动时间和内置计时器每隔2μs进行一次比较。当两个时间一致时,事件部分,即晶体管的通/断信号就启动。同样地,预定事件和启动时间设定后,辅助存储器就会对输出信号进行控制,确保主机部分不受输出处理的影响。采用此方法,最小脉宽就不受中断处理时间极限的影响,可以减小到大约10μs,这样,允许的高次谐波和力矩脉动可以减小,而老式控制方法却达不到这一点。
  变频器脉宽调制脉冲波形的一个示例,所用正弦波脉宽计算方法和输出技术如图5所示。这里,最小脉宽的极限为10μs,击穿脉冲的宽度随总相位而变化。同样地,在波模中心处(θt=30°)脉冲宽度较窄,在波模的两边(θt=0°,60°)较宽。采用此方法,输出电流的波形几乎是正弦的。
  2.3 模拟研究结果:
  图6所示的是一些模拟研究的结果。这一模拟研究是在假设最小脉宽没有极限的情况下进行的。由于采用正弦波计算方法,输出电流具有正弦特性。
  输出电压由输出电流、终端电容器和感应电机来确定。老式的梯形波调制与正弦波在力矩脉动方面的差别显而易见。
  2.4 硬件
  采用上述单片机,电路简化,程序控制(PC)板的规格也比采用分立元件的老式线路变小,参见图7。数字电路不会老化,调节时间也不足老式系统的1/10。
  3 高效率低噪音曳引机
  老式的蜗轮蜗杆用于中、低速电梯的减速机构,因为电梯减速机构要求噪音特别低。但是,由于减速比增大,效率降低,所以,电机容量必须提高。因此新的设计方案在最新齿轮设计和加工工艺的基础上,选用了高效斜齿轮,研制出了新型曳引机。其特点是电机、曳引轮及减速齿轮层状布置。磁力制动器和曳引轮和为一体,安装在减速齿轮轴输出端,以防在高速电梯上,由于安全装置动作而产生力矩突变。
  减小斜齿轮产生的振动以及减速箱产生的噪音是减小减速机振动和噪音的两个重要因素。这方面的研究始于1955年前后。已经证明:要想有效地减小齿轮的振动,使每一对齿的弹性系数为最小,就要减小齿轮误差引起的负荷振动,使弹性系数值的变化尽量缩小,波形平滑。
  该曳引机以四极感应电机驱动,应用变频系统控制,大大减小了热量的产生。高速旋转时,电机紧凑,惯量小,噪音低。
  经过上述各项措施,现在的曳引机减轻了40%,而且噪音减小了大约10分贝。图8所示就是这种新型曳引机。
  4 实验结果
  4.1 基本特性:
  图9所示的是变频器系统输出电压和电流波形的一个实例,尽管这些波形非常接近正弦波,但是,还必须检测整流器的频谱和力矩脉动。
  图10所示的是输入电流和电压的实验频谱。输入电流波形中的所有谐波为5%,甚至更少,由于晶体管开关频率的缘故,峰值出现在2.7kHz附近。
  4.2 电梯控制性能
  图11所示的是由最新开发的电流源变频器控制的高速变频电梯的示波图。可以看出加速、减速平稳,电源电流随电梯速度正比变化,不同于老式的可控硅控制电梯。
  图12所示的是经过重复上—下运行所得的能耗实例,晶体管变频器用于中速电梯(4m/s)。由于采用了高效电机,减小了无功功率,因而,能耗降低高达10%以上。
  图13所示的是采用不同电梯控制方式的电梯,包括老式控制方式和变频器控制方式,其视在功率的比较情况。有效视在功率和最大视在功率降低高于30%。(测量条件与能耗比较相同)。
  图14所示的是电梯机房的噪音级,电梯曳引机噪音的整体值低于73dB,可以满足规定目标(低于75dB)。
  5 电梯安全系统
  图15所示的是新开发的电流源变频器系统控制电梯在事故情况下的检测保护系统。在该系统中,过电压是比过电流更重要的问题。由于直流电抗器是接在整流器和变频器中间,过电流的增加不如老式可控硅电梯那样快,因此,老式系统中也采用了保护系统。为防止过电压事故,采用可变电阻器(压敏电阻)和短路方法的检测保护系统已经开发出来,晶体管(额定电压1200V,额定电流300A)完全得以保护。而且,还装有普通的错误速度探测器和电源降低探测器,但在本图中没有标出。
  6 结论
  本文介绍的是最新开发的正弦波输入、输出的电流源变频器系统控制的新型变频电梯,该系统的应用降低了电梯系统对电力的要求,降低了谐波电流和能耗。
  这一新技术也可用于速度高于4m/s的电梯,还可广泛用于要求能量再生的电力领域。

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